不同含量的NBG对NBG/PLGA复合材料等温结晶、形貌和力学性能的影响

祁 金，熊成东，张丽芳*

(1.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都 610049；2.中国科学院大学，北京 100049)



不同含量的NBG对NBG/PLGA复合材料等温结晶、形貌和力学性能的影响

祁 金1,2，熊成东1，张丽芳1*

(1.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都 610049；2.中国科学院大学，北京 100049)

先采用碱性溶胶-凝胶法结合冷冻干燥技术制备纳米生物活性玻璃(NBG)，再利用溶液共混的方法制备不同比例的纳米生物活性玻璃/聚丙交酯-乙交酯(NBG/PLGA)生物可降解复合材料(NBG含量为3%，5%，10%,20%及30%).利用FTIR，SEM和EDS分析NBG表面形貌、元素组成和NBG/PLGA复合材料断面形貌；DSC和SANS微机控制电子万能试验机分析不同含量的NBG对复合材料在不同温度下等温结晶行为和力学性能的影响.结果表明，碱性溶胶-凝胶法结合冷冻干燥技术成功获得了分散性良好的纳米生物活性玻璃粉末；与未添加NBG的PLGA相比，NBG作为异相成核剂，有效提高了PLGA复合材料结晶能力，复合材料结晶时间随NBG含量增加而缩短.Avrami方程可用于描述本研究中NBG/PLGA复合材料的等温结晶过程.复合材料拉伸强度和断裂伸长率随NBG含量的增加，先增强后降低，NBG的最佳添加量为10%，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别比纯PLGA提高28.79%和56.09%.该生物复合材料有望用于骨修复材料.

纳米生物活性玻璃(NBG)；复合材料；结晶；形貌，力学性能；聚丙交酯-乙交酯(PLGA)

聚丙交酯-乙交酯[Poly(lactide-co-glycolic acid)，PLGA]是由丙交酯(LA)和乙交酯(GA)共聚而成的生物可降解高分子聚合物，由于其具有良好的生物相容性、生物可降解性，可协调的化学组成及较好的生物重组性[1-5],被美国食品药物管理局批准可应用于临床可降解生物医用材料[6].PLGA经酯键水解后，降解产物水和二氧化碳最终可通过机体新陈代谢排出体外，不必通过二次手术去除[7].目前，PLGA常用于软骨炎和一些小的骨折以及颅面外科等治疗.但纯PLGA材料作为骨修复材料在临床中应用时仍然存在一些缺陷，如生物活性弱，机械性能差，降解后酸性产物过多[8-9].最近，越来越多的研究人员专注于研究基于PLGA的无机/有机杂化复合材料，如钙磷酸盐无机材料/PLGA复合材料，其中磷酸钙无机材料、纳米羟基磷灰石与骨组织成份相似[10-11]，因其良好的生物相容性和骨传导性，广泛应用于骨修复手术中.因此，获得具有良好力学性能，优异生物活性及生物可降解性的，可应用于生物医学领域的理想无机有机PLGA复合材料成为目前研究的热点[12].

生物活性玻璃(BG)自Hench在1969年首次成功研发以来，至今已经超过40余年[13]，由于其具有良好的生物活性、生物可降解性、骨传导性及骨诱导性，能够在模拟体液(SBF)中诱导碳酸羟基磷灰石层的形成[14]，其作为骨修复材料，已应用于临床30多年.研究表明，生物活性玻璃的降解产物能够刺激生长因子表达，细胞增殖及激活成骨细胞基因的表达，此外，生物活性玻璃可同时修复硬组织和软组织[15-16].众所周知，骨组织本身就是无机物和有机物共同组成的.然而，BG作为单一骨修复材料使用时存在一些不足，如脆性大，韧性弱，不易加工成所需形状等.目前，n-HA/PLGA复合材料研究较多[17-18]，但纳米生物活性玻璃与PLGA复合的相关报道较少.

本文在溶胶-凝胶生物活性玻璃研究基础上，借助碱性媒介和分散剂作用，结合冷冻干燥技术制备具有良好分散性的纳米生物活性玻璃粉末NBG[19-20].有研究报道纳米生物活性玻璃作为无机相填充组分时，可有效改善复合材料的结晶行为，显著增强复合材料力学强度及提高生物活性[21-22].因此，将上述制备的NBG按质量百分比分别为3%，5%，10%，20%，30%的比例分别与PLGA采用溶液共混方法制备NBG/PLGA复合材料，以纯的PLGA作为对照，首次考察不同含量的NBG对NBG/PLGA复合材料结晶性能、断面形貌和力学性能的影响.

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

PLGA(82/18)，粘度为3.44 dL·g-1,分子量为3.9×105～4.2×105，本实验室自制；模拟体液(SBF)按文献[22]配制；无水乙醇、盐酸、正硅酸乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(PET)、四水合硝酸钙、氨水(25%)、二氯甲烷均为分析纯试剂.

1.2 纳米生物活性玻璃(NBG)的制备

纳米生物活性玻璃(NBG)的化学组分为：60% SiO2，36% CaO，4% P2O5[20].其制备过程为：将13.42 mL正硅酸乙酯加入去离子水和无水乙醇的混合液中，加入盐酸作催化剂，室温搅拌30 min后，加入8.5 g四水合硝酸钙，继续室温搅拌30 min，获得透明均一稳定的酸性溶胶；将1.67 mL的磷酸三乙酯加入大量去离子水中，室温搅拌1 h，待其溶解完全；最后，将上述配好的酸性溶胶溶液逐滴滴加到溶解有PET的溶液中，滴加完毕后，缓慢滴加氨水，待有大量白色絮状沉淀出现，最终调节pH值为10～11，经反复离心洗涤，过滤，冷冻干燥，得到白色粉末，于马弗炉中700 ℃热处理，最终得到纳米生物活性玻璃粉末NBG.

1.3 NBG/PLGA复合材料的制备

采用溶液共混的方法制备NBG/PLGA复合材料.首先，将不同比例的NBG粉末在超声作用下于二氯甲烷和乙醇混合液中分散；其次，将PLGA在不断搅拌下溶解于二氯甲烷溶液中，质量体积比为3%；最后，将高度分散好的NBG溶液缓慢加入PLGA的二氯甲烷溶液中，快速搅拌并超声4 h后，用无水乙醇沉淀[23].将沉淀物过滤并用大量无水乙醇洗涤至少3遍，最后于40 ℃真空干燥48 h后备用.

1.4 测试与表征

将NBG粉末用美国Nicolet公司(6700)红外光谱仪进行测试；取粉末样品喷金后，用SEM(S-520，日本HITACHI公司)初步观察NBG的形貌及分散性.

PLGA及NBG/PLGA复合材料经平板硫化机加工成型后，用DSC(Q20，美国TA instruments公司)测试纯PLGA及复合材料的结晶性能；采用万能材料试验机(SANSCMT4503，中国深圳SANS公司)对纯PLGA及复合材料按GB/T1042-92标准测试拉伸性能和断裂伸长率，每个样品测5个平行样，取平均值[23]；取材料拉伸断裂面喷金，用SEM(KYKY-2800，中国，电压20 kV)观察复合材料断裂面形貌；EDS用于检测元素含量.

2 结果与讨论

2.1 纳米生物活性玻璃表面元素和形态

2.1.1 FTIR分析 图1为NBG的红外光谱.由图可知NBG的特征吸收峰有Si—O—Si弯曲振动峰(479和1 200 cm-1)，Si—O—Ca弯曲振动峰(962 cm-1)，磷酸基伸缩振动峰(1 083,566,608 cm-1).另外在1 472 cm-1附近出现的弱峰为C—O吸收峰，原因是当NBG暴露于空气中，部分NBG表面形成了结晶的碳酸羟基磷灰石，这与文献报道相一致[19,24-25].

2.1.2 SEM分析 图2为纳米生物活性玻璃的SEM照片和EDS谱，从图中可以看出，样品NBG由粒径为几十个纳米的不规则颗粒组成.NBG经高热处理后为较细的白色粉末，且分散性较好.原因有两点，一是冷冻干燥技术使得一定量的水冷冻成冰时，体积膨胀变大，其膨胀力可适当的分开原先相互靠近的凝胶粒子，水变成固态后阻止了凝胶的重新团聚[20]；此外，无水乙醇用作分散液，既能与TEOS互溶，又与水互溶，因此加入无水乙醇有利于颗粒的分散，同时促进前驱体原料水解[26].EDS元素检测结果与文献报道一致[27].

图2 NBG的SEM照片(a)和EDS谱(b)

2.2 复合材料

2.2.1 DSC分析 图3给出了纯PLGA和NBG/PLGA复合材料的DSC曲线.

图3 纯PLGA和NBG/PLGA复合材料DSC曲线(a为PLGA,b-f为NBG含量分别为3%,5%,10%,20%,30%)

由图可知，纯PLGA熔融峰不明显，而随NBG含量的增加，NBG/PLGA复合材料熔融焓变大，熔融峰变得越来越明显，玻璃化转变温度(Tg)从左向右向高温方向移动，表明NBG/PLGA复合材料结晶能力增强，原因可能是NBG作为异相成核剂对NBG/PLGA复合材料的结晶起到了促进作用，因此NBG可以提高PLGA的结晶性能.

为了说明不同含量NBG对NBG/PLGA复合材料结晶性能的影响，图4给出了PLGA和5种不同NBG含量的NBG/PLGA复合材料在不同温度(105,110,115 ℃)下的等温结晶图.可以看出纯PLGA(82/18)在不同温度下等温结晶峰无明显变化，这是因为PLGA(82/18)很难结晶，随NBG含量增加，NBG/PLGA复合材料等温结晶峰由右向左移动，结晶速率增加，结晶时间缩短；等温结晶温度较高时，等温结晶峰向右移动，且等温结晶峰变宽，结晶速率减慢，说明高温不利于结晶.当NBG含量为10%，等温结晶温度为105 ℃时，NBG/PLGA结晶时间最短.图5给出了PLGA和5种不同NBG含量的NBG/PLGA复合材料在105,110和115 ℃时相对结晶度(Xt)与等温结晶时间(t)之间的关系.由图可知，所有样品的等温结晶曲线随时间变化呈乙状结构现象，NBG/PLGA复合材料随温度升高，等温结晶曲线沿时间轴向右偏移，整体结晶时间延长.在低温(105和110 ℃)下，复合材料率先完成结晶(Xt为100%)，研究发现NBG/PLGA的结晶速率比相同结晶时间的纯PLGA快,进一步说明NBG作为异相成核剂促进PLGA结晶，缩短了整体结晶时间.

图4 PLGA和NBG/PLGA复合材料等温结晶DSC曲线(a为PLGA,b-f为NBG含量分别为3%,5%,10%,20%,30%)

图5 PLGA和NBG/PLGA复合材料等温结晶过程中相对结晶度(Xt)和结晶时间(t)的关系(a为PLGA,b-f为NBG含量分别为3%,5%,10%,20%,30%)

图6是PLGA及其复合材料等温结晶的Avrami方程拟合曲线,利用lnt对ln[-ln(1-Xt)]作图[17-18,28-29].图中显示所有样品的ln[-ln(1-Xt)]和ln(t)之间的拟合曲线呈线性关系，说明该研究中PLGA和5种NBG/PLGA复合材料等温结晶过程可用Avrami方程描述.为了从微观上进一步了解复合材料的结晶性能，对其进行DSC等温结晶过程分析，表1为PLGA及其复合材料等温结晶过程的Avrami方程拟合数据，PLGA等温结晶参数与其他5种复合材料差异较大，原因是PLGA(82/18)不易结晶.PLGA和NBG/PLGA复合材料在110 ℃时t1/2和tmax具有最小值；相比于纯PLGA,加入NBG后，k值变小.当NBG增量小于10%时，随NBG含量增加，t1/2和tmax逐渐减小，n和G逐渐增大；当NBG增量大于10%时，t1/2和tmax略微增加，n和G值减小.相比于纯PLGA,NBG/PLGA复合材料n和G增加，表明NBG作为异相成核剂向PLGA提供了大量晶核，有效地促进NBG/PLGA的结晶.

图6 PLGA和NBG/PLGA复合材料ln[-ln(1-Xt)]对lnt线形关系(a为PLGA,b-f分别为NBG含量3%,5%,10%,20%,30%)

2.2.2 SEM观察 图7给出了纯PLGA和NBG/PLGA复合材料断面SEM照片，从图7(a)可以观察到纯PLGA具有非常致密的结构，沿应力方向有很多光滑的平行断裂线.众所周知，在PLGA基质中，NBG的加入量及其在PLGA基质中的分散性决定复合材料的力学性能.图7(b，c)可以看出，当NBG加入量较少时,其在PLGA基质中分散均匀，粒子团聚较少，断面孔洞较少，说明NBG和PLGA界面之间结合良好.图7(d-f)可以看出，随NBG含量增加，逐渐出现团聚现象，NBG含量越高，团聚越严重，说明NBG在PLGA基质中分散性变差.相比于低含量NBG和高含量NBG，NBG含量为10%时，其在NBG/PLGA复合材料中分散性较好，且界面结较为牢固.

2.2.3 力学性能测试 拉伸强度和断裂伸长率作为指标评价NBG/PLGA复合材料的初始力学性能.图8和图9给出了NBG/PLGA复合材料力学性能测试结果.可以看出，NBG/PLGA复合材料的拉伸强度和断裂伸长率与NBG的含量有关.当NBG含量低于10%时，随含量增加，NBG/PLGA复合材料的拉伸强度和断裂增加，NBG/PLGA复合材料的拉伸强度和断裂伸长率下降.原因可能是当纳米粒子含量较低时，虽在PLGA基质中分散较好，但增强效果不明显；而NBG含量较高时，其在PLGA基质中极易团聚，导致早期界面结合失效，NBG/PLGA复合材料变脆，最终导致NBG/PLGA复合材料力学性能下降，这与纳米粒子增强聚合物力学性能的一般规律相符[23].实验结果最终表明，NBG含量为10%时，相比纯PLGA，NBG/PLGA复合材料拉伸强度和断裂伸长率分别提高了28.79%和56.09%.

表1 PLGA和NBG/PLGA复合材料的Avrami动力学参数

注：Tc为等温结晶温度；n为Avrami指数；k为结晶速率常数；t1/2为半结晶时间;tmax为最大结晶时间；G为动力学结晶速率.

图7 PLGA和NBG/PLGA复合材料的断裂面SEM照片(a为纯PLGA,b-f为NBG含量分别为3%,5%,10%,20%,30%)

2.2.4 模拟体液矿化测试 将复合材料在SBF中矿化沉积实验作为其生物活性检测的初步判断标准，如图10所示，复合材料在SBF中浸泡前，图10(a,b)显示断面平整，无团簇物，钙磷元素含量低；图10(c)显示NBG/PLGA(10%)在SBF中浸泡14 d后，样品表面被沉积物覆盖；图10(d)EDS检测复合材料表面沉积物的元素含量，结果显示其钙磷比值为1.655，接近文献中报道的羟基磷灰石的钙磷比值(1.67)[30].从而说明NBG的引入使得复合材料在模拟体液中能够诱导类骨磷灰石的生成，赋予了NBG/PLGA一定生物活性.

图8 PLGA和NBG/PLGA复合材料拉伸强度

图9 PLGA和NBG/PLGA复合材料断裂伸长率

图10 NBG/PLGA(10%)复合材料在SBF中矿化14 d前后SEM形貌和EDS谱图，(a,b浸泡前，c,d浸泡后)

3 结论

1)先采用碱性溶胶-凝胶法，利用分散剂作用，并结合冷冻干燥技术，成功获得了具有良好分散性的纳米生物活性玻璃粉末；进而利用溶液共混的方法成功制备了不同NBG含量的NBG/PLGA复合材料.

2)研究结果表明,NBG作为异相成核剂可促进NBG/PLGA复合材料结晶，结晶速率随纳米粒子含量增加大大提高，结晶时间缩短，高温不利于结晶；Avrami方程可用于描述该研究中复合材料的等温结晶过程.

3)当NBG添加量达到10%时，其在PLGA基质中分散性较好，且NBG/PLGA复合材料拉伸强度和断裂伸长率分别比纯PLGA提高了28.79%和56.09%；纳米生物活性玻璃的引入赋予复合材料一定的生物活性，该生物复合材料有望用作骨修复材料.

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(责任编辑 陆泉芳)

Effect of different content of NBG on the isothermal crystallization,morphology and mechanical property of NBG/PLGA composites

QI Jin1,2,XIONG Cheng-dong1,ZHNAG Li-fang1

(1.Chengdu Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Science,Chengdu 610041,Sichuan,China;2.University of the Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China)

Nano-bioactive glasses(NBG) have been prepared by a quick alkali-mediated sol-gel method and freeze drying technique.And a serials of NBG/PLGA biodegradable composites with NBG of 3%,5%,10%,20% and 30% in weight are prepared by solution mixing method.The NBG surface and element contents are investigated by FTIR,SEM/EDS.The crystallization behaviors,morphology and mechanical property of NBG/PLGA composites are investigated by DSC,SEM and electromechanical universal test for the first time,respectively.The results showed that well distributed NBG has been prepared by a quick alkali-mediated sol-gel method and combined freeze drying technology.The Avrami equation is suitable for describing the isothermal crystallization process of NBG/PLGA composites in this work,and with the addition of NBG,the crystallization rate of NBG/PLGA composites is enhanced.With the increase of NBG content,the tensile strength of the composites is first enhanced,then decreased.Finally it is found that the addition content of 10% NBG to PLGA matrix is the most appropriate proportion,the tensile strength and elongation at break of NBG/PLGA composite are increased 28.79% and 56.09%,respectively.The study would be of guidence to select the suitable fileer to PLGA polymer in manufacturing bone repair materials in future.

nano-bioactive glasses(NBG);composites;crystallization;morphology;mechanical properties;poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA)

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.06.014

2016-07-20;修改稿收到日期:2016-08-12

中国科学院“西部之光”重点基金资助项目

祁金(1990—)，女，甘肃张掖人，硕士研究生.主要研究方向为生物医用材料.E-mail:gongziqijin@163.com

*通讯联系人，女，研究员，博士.主要研究方向为生物医用材料.E-mail:zhanglfcioc@163.com

TQ 174

A

1001-988Ⅹ(2016)06-0070-08